Lo scopo del seguente lavoro di tesi è stato quello di condurre uno studio numerico di ugello convergente divergente attraverso diversi modelli di turbolenza RANS. Si è dovuto valutare come il modello di turbolenza influenzi la previsione del fenomeno di separazione ed, infine, si sono confrontati i risultati ottenuti attraverso lo studio CFD con i dati sperimentali.
L’ugello utilizzato per lo studio è un ugello TIC convergente divergente che lavora in condizione di sovraespansione. Quest’ugello si ottiene andando a troncare il profilo di un ugello ideale costruito col metodo delle linee caratteristiche.
Nella regione vicino a parete, ovvero nello strato limite, quando vi è un gradiente di pressione avverso, si verifica il fenomeno della separazione. Per gli ugelli è fondamentale valutare il parametro n = pe/pa rappresenta il parametro di condizione di flusso. Se n=1 allora l’ugello si dice adattato, n>1 allora ugello sottoespanso e invece quando n<1 (come nel nostro caso) allora parliamo di ugello sovraespanso. Quando 0.4<n<0.8 nascono dei fasci di compressione a parete nel punto di separazione, che originano un urto obliquo.
Al fine di studiare la turbolenza ci sono diversi modelli matematici. Risolvere direttamente le equazioni di Navier-Stokes (DNS)sarebbe il metodo ideale, ma a questi numeri di Reynolds non è possibile perché hanno costi computazionali troppo elevati e quindi si opta per i modelli RANS con chiusura al primo ordine.
I modelli RANS utilizzati per questo studio sono stati 3: SST k-ω, k-ε e Spalart Allmaras. Si basano sull’ipotesi di Boussinesq al fine di ricavare l’eddy-viscosity. Bisogna stare attenti in quanto ogni modello di turbolenza lavora ad y+ diversi, per esempio modello SST k-ω: y+<1.
Al fine di condurre lo studio numerico si è dovuto costruire un dominio, si sono definite le region dove andare poi a impostare le condizioni al contorno, si è utilizzata la funzione Octree Parameter per un’anteprima di come sarà la mesh (questa funzione permette di ottimizzare il tempo senza lanciare ogni volta la griglia vera e propria) e una volta fatti gli accorgimenti di infittimento si è generata la mesh vera e propria.
Si è lanciato il solutore e si sono valutati i risultati ottenuti dalle simulazioni nel post processing.
Si è effettuata un’analisi di convergenza della mesh in quanto abbiamo notato come il fenomeno della separazione, avendo l’ugello a queste velocità uno strato limite molto spesso, deve avere una griglia a parete ben risolta perché questo influenza negativamente la previsione della separazione. Si è notato come il numero opportuno di prismi a parete era 90 prism layer, in quanto il confronto era coerente coi risultati sperimentali.
Di seguito riportiamo i risultati del campo di Mach, campo di pressione in scala logaritmica, linee di flusso e vettori velocità ottenuti col modello SST k-ω.
Si è notato come in tutti e 3 i modelli si forma una zona di ricircolo nella sezione d’uscita dovuto al risucchio di flusso nel tratto divergente.
Si sono confrontati risultati ottenuti della pressione statica a parete dei tre modelli con i dati sperimentali ed abbiamo notato come tutti le simulazioni danno buoni risultati. Il modello k-ε posticipa la separazione del 1% ma è quello che ha un andamento più consono a quelli sperimentali e a quello che ci aspettavamo dalla letteratura. Gli altri due modelli hanno un’oscillazione di pressione subito dopo il punto di separazione, questo si nota maggiormente nel modello SST k-ω e questo è dovuto a una bolla di ricircolo che si forma subito dopo.
Candidato: Fatjon Tosku
Relatore: Prof. Francesco Larocca
Corelatore: Prof. Andrea Ferrero
Tutor aziendale: Ing. Elia Cipolato